HCIA-IoT V2.5 华为物联网认证笔记

source: education.huaweicloud.com

1 华为物联网解决方案

1.1 1个OS、2类接入、1个平台（1+2+1）

华为LiteOS，有线+无线接入，华为云物联网平台

1.2 华为云物联网平台架构

1.3 NB-IoT端到端解决方案

MCU-MicroController Unit，包括CPU、内存和I/O，就是“单片机”

模组：Module

1.4 终端网关

（1）工业物联网关（交换、路由、计算）

华为Agile AR系列网关特点：

• 工业级设计：防震、防水、防尘、防电磁
• 丰富接口支持：ZigBee, RF, Bluetooth, RS485, RS232, DI/DO, …
• 复杂协议适配：CAN, ModBUS, IEC62056, IEC104
• 本地智能：本地计算与存储

（2）家庭智能网关ONT（Optical Network Termination, aka ONU，跟物联网的联系？回头看）

• 智能业务：智能家居、家庭监控、家庭娱乐等
• 智能互联， 光纤， WiFi, Bluetooth， Zigbee， Z-Wave等
• 智能运维：对ONT本身的故障诊断和处理

1.5 物联网操作系统 Huawei LiteOS

KB级内核，毫瓦级功耗，毫秒级响应

• 传感智能化：降低时延、提升精确度
• 联接智能化：支持短距/广距多协议、自动组网Mesh
• 应用智能化：芯片级应用虚拟机

1.6 物联网安全

1. 重点领域安全威胁

CAN bus - Controller Area Network Bus

T-Box : Tiny Box?

IoT安全威胁主要集中在终端。管道检测、云端协同和可信设备认证是解决威胁的有效手段。

2. 华为安全解决方案3T+1M

3. 华为IoT安全体系

• 终端安全：FOTA（Firmware Over The Air）数字签名确保升级固件合法、完整

• 管道安全：防DDOS攻击、信令风暴

• 云端安全：IoT平台端到端认证接入与传输安全

2 物联网通信技术

2.1 有线

RS-232与RS-485

Meter-Bus

M-Bus(MeterBus)最大传输距离为1000m，无需布设电源线，满足公用事业仪表的组网和远程抄表的需要，同时满足远程供电要求。总线型拓扑结构适合仪表组网。

有线通信技术简要对比

2.2 无线

短距无线

蜂窝通信

1. 4G LTE-Category

LTE Cat.1支持10Mbps下行速率，运营商无需升级即可允许Cat.1终端访问5G网络。尽管Cat.4支持更高速率，但对于物联网而言，性价比不如Cat.1

2. 蜂窝通信对比

LPWA（Low Power Wide Area)

无线通信技术对比

2.3 NB-IoT技术及解决方案（重点）

2.3.1 NB-IOT商用情况

1. 全球LPWA技术选择分布

2. 全球NB-IoT频谱选择策略

3. 华为NB-IoT商用芯片与网络

2.3.2 NB-IoT物理层关键技术和特征

降低速率、多次传输、低阶调制等措施，增加覆盖、降低功耗、降低成本。

系统带宽180KHz

下行：OFDMA（正交频分多址），子载波间隔15KHz，12个子载波，3种下行物理信道，2种下行物理信号

上行：SC-FDMA(单载波频分多址)，2种上行物理信道，1种上行物理信号

1. 低成本关键技术

• 对LTE网络改动小
• 简化功能和模块，降低芯片成本

2. 低功耗关键技术

• eDRX（extended Discontinuous Reception)延长空闲周期
• PSM(Power Saving Mode)增加休眠态最长310小时（13天）

3. 广覆盖关键技术-功率谱密度提升与时域重传

4. 大连接关键技术-减少空口信令开销与降低资源使用

5. NB-IoT优势小结

6. NB-IoT解决方案总体架构
   

3 物联网关

3.1 工业物联网关

1. 工业物联网关定位

专为工业领域物联网应用设计，集成路由、交换、无线和安全于一体的融合网关。

• 本地组网汇聚设备：提供上行传输通道、提供边缘计算能力
• 适用工业领域物联网应用的融合设备：适应工业严酷环境、工业接口/协议IP化

2. AR系列网关的边缘计算

• 提供容器级对应工具链，客户可开发部署自有应用；
• 提供APP级容器：客户通过Docker方式部署自己的应用
• 提供JVM虚拟机：客户可直接部署JAVA软件在网关上运行
• 提供JVM虚拟机+OSGI框架（Open Service Gateway Initiative，基于Java语言的服务/业务模块规范，快过时了？）：客户开发bundle，实现业务APP在OSGI框架内应用。

3. 华为Mesh组网

（1）Mesh技术基础（https://www.apriorit.com）

Mesh networking is a great way to efficiently organize the exchange of data between IoT devices. It works best for transferring small data packages and allows you to connect more nodes while keeping network performance at a high level.

Mesh networks can easily be configured and scaled and, thanks to the use of self-healing algorithms, can remain stable even if some nodes go offline.

Mesh networking challenges: Node intellegence, Load balancing, Route management, and Power consuming.

Mesh组网没有统一标准，现有的组网标准包括Z-Wave，Zigbee， Wirepas(using Bluetooth or Wi-Fi connections)等。

（2）华为Mesh技术涉及范围

• 网络组建：入网、地址分配等

• 路由转发：路由算法，如AODV（Ad-hoc On-demand Distance Vector）、RPL（Routing Protocol for Low power adn lossy networks)

• 邻居发现：MAC层Beacon，邻居发现（ND，Neighbor Discovery）

• 认证加密：PANA(itef Protocol for Carrying Authentication for Network Access)+EAP-PSK(Extensible Authentication Protocol Pre-Shared Key)，EAPoL(Extensible Authentication Protocol over LAN)等

（3）华为Mesh技术实现层次

• L2 Mesh：如用于WLAN的802.11s， 用于WPAN的802.15.5
• L3 Mesh：如6LoWPAN + RPL

IEEE 802.15.4, wireless link protocol for low-power personal area networks (LoWPANs)

6LoWPAN introduce an adaptation layer between the IP stack’s link and network layers to enable efficient transmission of IPv6 datagrams over 802.15.4 links, dramatically reducing IP overhead.

3.2 华为工业物联网关产品

1. 华为工业物联网关AR系列全家福

2. AR530-PLC电表管理
   

3. AR500-支持4G、工业串口和视频回传

4. AR2500-变电站环境标准、毫秒级自愈、24千兆接口
   

5. AR550-MTBF50年、抗强磁干扰

3.3 华为工业网关应用案例

1. 充电桩

• AR502替换现网Zigbee模块+工控机+路由器组合方案，提升通信可靠性，资本性支出CAPEX下降50%；
• 云管理Agile Controller-IoT对接客户快充运营平台，通过APP管理通信设备和边缘计算应用，运营支出OPEX下降60%。
• 智能边缘计算在本地处理业务，提升充电运营效率。

2. 电力抄表
   

• 电表智能化：智能电表提供多种窃电检测和告警，通过PLC-IoT技术上报电流、电压、用电量等信息

• 构建抄表网络：通过PLC等方式实现Meter与DCU（Data Collection Unit）之间的通信，再将DCU汇聚至AR网关。网关通过公网回传到主控中心。

• 基于华为IoT平台部署应用：IoT平台实现数据、连接和设备管理，对接客户计费等营业系统，为客户数据分析等运营提供能力。

3. 公交车

• AR511提供HDMI等音视频接口，承接公交电视播放功能，同时提供WiFi功能为公交乘客提供上网能力。
• AR511可运行公交合作伙伴的车载应用，并能在线更新、分发新的应用。

4. 路灯

5. 园区

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3.4 家庭物联网关ONT

1. ONT的位置

2. ONT关键业务

（1）智能提速

• 提升用户体验，下载、上传业务加速，游戏低时延等
• 帮助OTT玩家开发基于云平台的提速业务插件

（2）Wi-Fi无缝覆盖

（3）智能互联

（4）智能运维

3. ONT开放能力
   

3.5 华为智慧家庭解决方案及HiLink平台

1. 华为智慧家庭解决方案

2. 华为HiLink平台简介

华为HiLink智能家居开发者平台是以HiLink为核心的技术开放平台，为开发者提供云到端的整套智能家居解决方案服务。平台特点是开放共建、简单易用、安全可靠、低成本。

3. 华为HiLink Access生态接入三种方式

4. 华为HiLink Device SDK集成

适合带OS的智能设备，也适合无MCU、直接在模组中开发功能的智能产品。

• 桥设备集成SDK：当桥设备接入HiLink云平台时，桥下挂传感器自动接入HiLink，如蓝牙、ZigBee、非IP协议等传感器。

• 设备直接集成SDK：如台灯集成SDK

5. 配套设计和开发工具EMUI

• UX设计规范，通过模版、组件方式帮助合作伙伴完成界面搭建
• UI+工程工具，通过可视化编排完成APP开发、预览调试。

3.6 华为家庭物联网关产品

1. 子母路由（WiFi+PLC）

2. 荣耀路由（WiFi双频并发)

3. 荣耀分布式路由（多人上网、Mesh组网）

4. 5G CPE Pro（5G多模，最高2.3Gbps）
   

4 物联网平台

4.1 华为物联网平台功能架构和解决方案

1. 功能架构分为5层
   

2. 解决方案包括物联网平台、业务应用和设备三部分

• 业务应用：调用平台API，实现设备管理、数据上报、命令下发等业务场景。
• 物联网平台：连接业务应用和设备的中间层，屏蔽复杂的终端接口，快速接入设备；提供开放接口，支撑各种业务应用。
• 终端设备：通过有线、无线多种网络接入平台，通过LWM2M/CoAP或MQTT协议上报业务数据，接受平台下发的控制命令。

3. 解决方案提供接入、开发、分析等服务
   

4.2 设备接入服务

4.2.1 设备接入服务架构及优势

核心竞争力：

1. 多：接入协议多，接入场景全覆盖

   • 10个主流原生协议，30个行业协议

   • 插件方式接入自定义协议

   • 10种接入方式

2. 快：快速接入，上电即上云

   • 芯片模组预置SDK
   • 2条模组AT指令可完成接入
   • 设备开发效率提升10倍

3. 好：高并发接入，按需流转数据

   • 单实例10万TPS并发，租户级支持百万级并发接入
   • 单租户100条自定义流转规则，10种数据流转方式
   • 灵活简单的HTTP和高吞吐的AMQP推送随需选择

4. 省：计费方式简单，高性价比

   • 设备链接时长费用全免
   • 比自建平台节省成本50%

4.2.2 物联网常用协议

HTTP（HyperText Transfer Protocol）：从Web服务器传输超文本到本地浏览器的传送协议。

MQTT (Message Queuing Telemetry Transport)：IBM开发的及时通讯协议。采用客户端向服务器订阅和服务器向订阅客户端推送的工作模式。

CoAP(Constrained Application Protocol)：从HTTP发展而来，专为资源首先设备（如传感器）和网络（如NB-IoT）设计的消息协议。既优化数据报长度，也增强可靠性。

4.2.3 华为云网关

4.2.4 设备连接

1. 支持多协议设备快速接入

• 原生协议：MQTT(S)、CoAP over LWM2M、HTTP(S)
• IoT边缘/网关：支持主流Modbus、OPCUA协议
• 云网关接入：支持将TCP/UDP转换为MQTT接入
• 第三方协议插件：车联网行业协议、32960远程接入、JT/T808卫星接入等协议；支持自定义协议插件

2. 基于SDK接入

• 网关接入采用SDK，直接接入采用SDK Tiny
• SDK有C、Java版本

3. 两种SDK比较

4.2.5 设备管理

1. 定义设备模型Profile

• 定义产品/设备：SP Portal在线编辑产品Profile，或者获取平台样例Profile，再修改生成自己产品的Profile
• 生成插件：平台基于开发者定义的产品生成插件，并在物联网平台快速部署
• 优势：降低应用SP对设备管理复杂度；降低设备厂家对应用的适配复杂度。

2. 设备注册和接入鉴权

• 注册：在平台录入设备信息。可以批量处理

• 接入鉴权：平台对设备进行认证鉴权，保障设备与平台之间的信息完整和安全。

3. 命令下发（立即下发或缓存下发）

4. 设备联动规则

5. 设备固件/软件升级

• FOTA通过LWM2M协议升级模组固件
• SOTA通过华为PCP协议升级MCU软件
• 可以批量处理

4.2.6 数据转发

IoT平台对接云服务，实现数据存储、计算和分析

4.2.7 RESTful应用集成

REST， Representational State Transfer

1. IoT平台提供40个RESTful API，分为以下12类：

2. 应用注册和鉴权

• 调用API接口需要通过华为云统一身份认证服务（Identity and Access Management，IAM）的Token鉴权。
• 行业应用携带API凭证（账号、用户名、密码等）调用IAM接口获取Token。

3. 订阅和通知

• 行业应用向平台订阅消息类型；
• 设备信息变动时，平台向应用推送消息
• 如果订阅回调地址为HTTPS，则需要上传CA证书到IoT平台。

4.3 数据分析服务

4.3.1 数据特点及分析流程

1. 物联网数据的特点

数据体量大、价值密度小、时效性高、质量低

2. 建立资产模型-数字孪生

3. 数据处理的难点

• 海量设备高并发实时写入性能
• 设备大量数据的高效压缩
• 历史数据高性能查询

4. 数据清洗

处理数据缺值、异常跳变、重复、格式差异、噪音干扰等，为数据分析输入高质量数据

5. 按数据时效性分层处理

4.3.2 华为IoT平台数据分析解决方案

1. 数据分析模块架构

2. 实时分析

3. 时序分析

• 高压缩比：时序数据专用压缩算法，压缩率高达20倍
• 高性能查询：多节点多线程并行查询，采用向量查询引擎
• 高性能写入：每天处理万亿级时间点写入

4. 离线分析

4.4 开发者服务

• 快速构建：10分钟构建Web APP，30种可视化组件，所见即所得
• 成本低：预制行业模版，按需使用，应用托管免运维

4.5 其他服务-边缘计算和SIM联接

1. 四大因素推动IoT边缘服务发展

• 低时延
• 海量数据：本地分析节省网络带宽
• 隐私安全：减少数据传输泄密风险
• 本地自治：不依赖云端的离线处理和自我恢复能力

2. 华为IoT边缘解决方案

• 边云协调
• 开放架构
• 硬件解耦

3. 华为智能边缘平台IEF

Modbus一种应用层消息协议，用于智能设备主从通信。传统上采用RS232、422、485等。

OPC-UA (Open Platform Communication Unified Achitecture)一种工业互操作标准。

• 开放框架支持丰富的接口（工业串口232、485、DI/DO，以太接口，无线RFID、WiFi、蓝牙等）、多协议（MQTT、ONVIF、CoaP、Modbus、OPC-UA、BACnet等 )和协议扩展

• 支持多场景边缘数据处理，包括格式转换、降频、数据清洗、过滤、数据拟合等

• 网络异常时，边缘提供应急Console本地管理，已下发规则和模型正常运行。等网络恢复后数据同步到云端。

4. 全球SIM联接

• SIM卡管理：200个国家网络覆盖，sSIM/SOC SIM空中写卡
• 设备发放：设备上电后动态选择接入点，就近接入
• 设备接入：多协议，设备/网络诊断
• 网络增强：多模多路径监控，多联接策略，一机多卡

5 物联网平台二次开发

5.1 平台二次开发框架

物联网平台开发分为以下四方面：

• 产品开发：设备接入前，基于控制台进行开发，包括创建产品、创建设备、开发产品模型、开发插件、调试、测试和发布产品
• 应用开发：基于API接口开发行业应用，获取业务数据和HTTPS证书管理。
• 设备侧开发：通过集成SDK开发、模组、原生协议等，将设备接入平台，上报设备数据，处理平台控制命令。
• 日常设备管理和分析

5.2 产品开发

产品模型

产品模型Pofile定义设备的产品信息和服务能力，是描述一款设备“是什么”、“能做什么”、“如何做”的文件。

例如：一款水表的5个服务如下：

一个Pofile文件示例如下：

编解码插件

1. 编解码插件将终端上报的二进制数据和应用服务器下发的JSON文件进行转换。
2. 编解码插件开发有三种方式：

• 图形化开发（推荐）
• 离线开发：使用插件的Java代码Demo进行开发
• 脚本化开发：使用JavaScript脚本进行开发

3. 图形化开发示例

5.3 应用侧（与平台对接）开发

1. 开发框架

2. 应用（北向）API接口

订阅管理、标签管理

产品管理、规则管理

设备管理（消息、命令、属性、影子、组、CA证书）

批量任务及文件管理

资源空间管理

3. API接口动词和参数

4. 接入鉴权示例

5. 创建设备示例

6. 修改设备示例（对比创建设备）

7. 查询设备示例

8. 查询设备消息示例

9. 删除设备示例

5.4 设备侧（与平台对接）开发

1. 设备侧开发框架（与第一章平台开发的模块框图衔接）

2. 设备侧开发分两大类6种模式

• 前3种为认证模式（认证MCU、认证通信模组和LiteOS）,相对简单。其中认证模组可通过华为云市场选购

  • MCU不关心如何连接IoT平台（如MQTT秘钥算法、ClinetID组成方式等），只通过AT指令对接，节省对接调试时间。
  • MCU无需集成MQTT协议或SDK，节省自身资源消耗。

• 后3种因为设备非认证，所以要集成SDK或SDK Tiny.

  • 如果设备支持TCP/IP，则集成SDK后可以连华为IoT平台；
  • 如果设备不支持TCP/IP，如蓝牙、ZigBee，需要通过集成SDK的网关转发

3. 两种设备鉴权方式和流程

• 使用LWM2M/CoAP协议的设备：非安全设备只携带nodeID（如IMEI）作为验证码。如果采用DTLS(+)安全协议，则设备还需携带PSK。鉴权流程如下：

• 使用原生MQTT(S)协议的设备：应用注册在平台设备后，获取设备ID和秘钥，烧录到设备中。MQTTS设备还需要预置CA证书。鉴权流程如下：

5.5 云端日常维护

1. 云端日常维护/管理框架（与第一章平台开发的模块框图衔接）

2. 数据上报

设备影子是物联网平台的一个功能，表现为平台上一个JSON文档，存储设备上报状态、应用程序期望状态信息。每个设备有且只有一个设备影子，设备与设备影子可以通过MQTT进行双向同步。

3. LWM2M/CoAP设备命令下发

• 立即下发

• 缓存下发

4. MQTT设备消息下发

• 立即下发

• 缓存下发

6 感知层开发

6.1 端到端集成开发

• 终端侧开发：硬件PCB设计、终端业务程序开发、网络接入调试
• 应用服务器侧开发：产品模型Profile开发，编解码库开发，北向对接应用服务器开发

6.2 硬件开发

6.2.1 单片机

1. 单片机基础原理：首先通过设计电路实现单一功能（如两数加），然后增加选择器进行选择（相加或是相减），增加寄存器记录结果。所有程序都是通过一组指令集合的组合来实现。
2. 每款CPU都有一套规定的指令集，指令集是CPU性能体现的重要标志。如ARM指令集如下：

3. 处理单元分为两大类：微处理器(Microprocessor, MPU)和微控制器(Microcontroller, MCU)

• MPU通常是一块CPU（Central Processing Unit），只处理数据，其他如存储器和外设都需要外接。后来又发展出其他处理单元，如GPU(Graphical Processing Unit)
• MCU又称单片机，包括CPU、存储器和IO设备。
  

MCU架构图如下：

6.2.2 传感器

将感受到被测量的信息变成电信号。分为热敏、光敏、气敏、力敏、磁敏、湿敏、声敏、放射性敏感、色敏、味敏十大类

6.3 软件开发

6.3.1 物联网操作系统

1. 操作系统的发展过程

2. 物联网终端开发面临的挑战

• 终端种类多、差异大，适配难度大

• 通信技术、协议种类多，版本迭代快，选型和开发难度大

3. 物联网操作系统面临的挑战

• 多传感器协同管理复杂
• 视频场景下的性能、功耗管理要求高

4. 终端智能化是物联网发展的基础和目标

物：管理智能，不同类型传感器接入和算法开发的统一管理，端管云协同的安全管理

联：联接智能，不同类型通信协议互联互通

网：组网智能，自发现、自连接、自组网，网络自愈

6.3.2 华为物联网操作系统LiteOS

1. 商用案例概览

2. 终端智能感知解决方案

• P/Mate系列手机：LiteOS运行在麒麟芯片的协处理器上，采用LiteOS智能传感框架，与感光模块协同优化，降低计步能耗。
• 手环：B3是首款基于LiteOS的手环，解决多传感器高精度采样、数据同步等问题；运动检测准确性加强，抬腕亮屏响应时间减少；超低功耗支撑更长待机。
• MobileCam：通过LiteOS支持快速启动、低功耗、智能休眠、快速唤醒，支持运动DV场景视频直播
• HiLink智能家居：与手机互联互通，结合手机屏幕操作、语音和手势识别，简化配置操作。
• 智能水表：共享NB-IoT芯片的MCU，设备体积减小，应用程序瘦身，降低功耗

3. LiteOS架构

轻量级物联网操作系统，遵循BSD-3开源许可协议。

关于开源许可（http://www.ruanyifeng.com/blog/2011/05/how_to_choose_free_software_licenses.html）：

6.3.3 LiteOS内核

1. 内核框架

包括基础内核、硬件抽象和MCU/通信等。为了降低功耗，支持Tickless机制（ 取代传统周期计时器中断模式，而是让空闲CPU保持空闲，直到新任务排队待处理，所以进入低电压状态的CPU可以保持更长时间）。

2. 任务处理

（1）任务Task模块

• 任务是竞争系统资源的最小运行单元。
• 任务模块提供任务的创建、删除、延迟、挂起、恢复等功能，调度任务锁定或解锁。
• 任务调度机制基于优先级抢占式，支持同优先级任务时间片轮转调度。
• LiteOS任务有32个优先级，0最高，31最低。
• 任务编程接口：

（2）内存管理模块

• 负责内存的初始化、分配和释放，提供内存统计、越界检测功能。有静态、动态两类算法。
• 动态内存管理：按用户指定大小分配内存块。对于大块内存分配效率高，但是对小块内存分配开销大，碎片多。
• 静态内存管理：按用户初始化预设（固定值）分配内存块。性能较高，无碎片，但是不适合管理大对象。
• 内存管理编程接口：

（3）中断模块

• CPU在出现需要时暂停执行当前任务，执行新任务的过程。
• LiteOS中断模块支持中断初始化、创建、开关、恢复、使能、屏蔽等功能。

3. 任务间通信方式

（1）消息队列

接收、缓存不定长消息，适用于任务间传递数据。

（2）事件

32位变量，标识任务发生的时间类型，每一位标识一种事件类型，一共31种（25位保留）。运作机制如下图：

（3）信号量（Semaphore)

用于一组互相竞争的任务（线程？）访问资源，实现任务之间同步或者临界资源的互斥。限制访问资源的最大任务数。

（4）互斥锁（互斥信号量）

只有两个值的信号量通信。

4. 时间管理

（1）以系统时钟为基础，提供所有时间有关的服务。系统时钟称为时标或者Tick。Tick时长可以静态配置。

（2）定时器：

硬件定时器数量受硬件限制。

软件定时器扩展定时器数量。有单次与周期两类模式。

6.3.4 LiteOS SDK

1. 端云互通组件

• 独立组件，可以集成到各种通信模组，如NB-IoT模组、eMTC模组等

• 集成LWM2M\CoAP等全套协议栈。

2. 互联框架

3. 传感框架

4. 安全框架

5. JS引擎

• JavaScript虚拟机提供应用隔离，与JS框架和OS协同优化性能和功耗。
• JS框架简化跨硬件平台和中间件的系统集成，兼容第三方库，高级语言抽象隐藏编程细节

6.3.5 通信模组开发

1. 通信模组AT命令是控制TE（Terminal Equipment）和MT（Mobile Terminal）之间交互的指令。

2. AT命令分类

设置 =** 设置AT命令的属性，例如AT+NCDP=10.18.96.93

测试 =？ 显示AT命令设置的合法参数值，例如：AT+CMEE=？

查询 ？ 查询AT命令设置的属性值， 例如：AT+CMEE？

执行 执行无参数命令，例如AT+NRB；执行有参数命令，例如AT+CMEE=0

3. NB-IOT AT指令集

4. WiFi AT指令集

5. 华为认证模组AT指令集
   

6. 通信模组端侧开发流程

（1）NB-IoT终端对接流程

（2）WiFi终端对接流程